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Teoría quimiosmótica



  1. Introducción
  2. Justificación
  3. Teoría
    quimiosmótica
  4. Hipótesis
    quimiosmótica
  5. Rendimiento energético
    global
  6. Resumen
  7. Conclusiones
  8. Literatura citada

INTRODUCCIÓN

En la última mitad el siglo XX, la
combinación de poderosas herramientas de análisis
provenientes de la bioquímica y de la biología
molecular proporcionó un cúmulo de explicaciones de
los más diversos fenómenos celulares. Las
células como máquinas transformadoras de
energía, son el recipiente en donde se llevan a cabo estos
procesos y las enzimas son las piezas más importantes de
esta maquinaria.

En sus estructuras proteicas llevan grabadas las
instrucciones que les permiten ejecutar con precisión
actividades particulares, en momentos y lugares adecuados. De
esta manera coordinan y administran los recursos
energéticos a través de miles de reacciones
diferentes, muchas de las cuales acorren de forma
simultánea y eficiente, con un mínimo derroche de
subproductos.

La vida depende del flujo de energía procedente
de las reacciones termonucleares que tienen lugar en el
núcleo del sol. Los sistemas vivos transforman la
energía radiante del sol en distintos tipos de
energía, entre ellas química y mecánica, que
a su vez son utilizadas por todo ser vivo. Este flujo de
energía es la esencia de la vida.

En el presente trabajo de investigación
documental "Teoría Quimiosmótica, se abordaron
diferentes temáticas: organismos tanto autótrofos
como heterótrofos, los cuales una vez obtenida la
energía, sin importar su fuente, la transforman para
activar miles de reacciones diversas que sostienen la vida; la
mitocondria como organelo celular en donde se lleva a cabo la
obtención de moléculas de ATP (Adenosin
trifosfato), describiendo las tres fases glucólisis, ciclo
de Krebs y cadena de transporte de electrones; teoría
Quimiosmótica (formación del gradiente
electroquímico); formación de agua y
obtención de moléculas de ATP.

Justificación

Realizar un trabajo de investigación documental
como el presente "Teoría Quimiosmótica", fue para
entender que los seres vivos dependen del flujo de energía
que produzcan para realizar todas las actividades (reacciones)
que les permitan seguir viviendo.

El conocimiento científico producto de la
investigación, nos proporcionará la conciencia para
respetar y comprender la relación tan estrecha que existe
entre organismos autótrofos (productores) que proporcionan
O2 por medio de la fotosíntesis, a los organismos
Heterótrofos y que éstos a su vez les
proporcionarán CO2 como un subproducto de la
respiración celular, para que estos organismos
autótrofos produzcan sus propios alimentos. Ambos tipos de
organismos se necesitan y han evolucionado juntos, dependiendo de
ello la vida en el planeta.

El objetivo del presente trabajo fue Dar a conocer las
fases o etapas que deben de transcurrir en la obtención de
las moléculas de ATP a partir de una molécula de
glucosa, así como su rendimiento energético neto.
Haciendo énfasis en la teoría quimiosmótica
ya que si no se produce el gradiente electroquímico no
será posible la síntesis de ATP.

TEORÍA
QUIMIOSMÓTICA

Los organismos se mantienen vivos sólo mientras
puedan obtener más energía para remplazar la que
consumieron. Las plantas y otros fotoautótrofos la
obtienen del sol, los autótrofos, consumiendo plantas y
devorándose unos a otros. Sin que importe su fuente, la
energía ha de ser transformada en alguna forma capaz de
activar miles de reacciones diversas que sostienen la vida. Esa
función la cumple la que se convierte en energía de
enlaces químicos procedentes del trifosfato de adenosina
(ATP) (Audesirk et al., 2003).

Las primeras vías metabólicas que operaban
miles de millones de años antes que apareciera la
atmósfera rica de oxígeno, cabe suponer que eran
anaeróbicas. Muchos procariontes y protistas
todavía viven en lugares donde no hay oxígeno o no
siempre está disponible. Producen ATP por
fermentación y otras vías anaeróbicas.
Muchas células eucariontes siguen utilizando la
fermentación, entre ellas las del músculo
esquelético.

Sin embargo, las de casi todos los eucariontes extraen
eficientemente energía de la glucosa mediante la
respiración aeróbica, una vía dependiente
del oxígeno. En cada respiración se provee a las
células un suministro fresco de oxígeno (Curtis y
Barnes, 2001).

De todas las vías de liberación de
energía, la respiración aeróbica obtiene la
mayor parte del ATP de las moléculas de glucosa. Esta
vía produce hasta 36 ATP o más a diferencia de las
vías anaeróbicas cuyo rendimiento neto es de 2
ATP.

La respiración aeróbica puede resumirse de
la siguiente manera:

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Pero, como se aprecia la ecuación, tan
sólo nos indica las sustancias que se encuentran al inicio
y al final de la vida, en el intermedio hay tres etapas de la
reacción (Ondarza, 2006).

Todas las células requieren un abasto continuo de
energía para fabricar moléculas y estructuras
complejas, obtener nutrimentos del ambiente, excretar materiales
de desecho, moverse y reproducirse. Todas las células
eucariotas tienen mitocondrias (centrales eléctricas de la
célula) que convierten la energía almacenada en los
azúcares en ATP.

Las mitocondrias son bolsas redondas, ovaladas o
cilíndricas, posee dos sistemas de membrana, que rodean a
la matriz. Aunque la membrana exterior es lisa, la interior forma
pliegues profundos llamados crestas. Así, las membranas
mitocóndricas encierran dos espacios llenos de fluido, el
compartimiento intermembranas entre la membrana externa y la
interna y la matriz o compartimiento interior, dentro de la
membrana interna (Starr y Taggart, 2008).

En la Matriz se lleva a cabo el Ciclo del ácido
cítrico y oxidación de los ácidos grasos; la
membrana interna es impermeable a casi todos los iones, se pliega
en crestas, contiene los componentes de la cadena de transporte
de electrones y la ATP sintasa y la membrana externa es bastante
permeable a iones y moléculas pequeñas.

Algunas de las reacciones del metabolismo de los
alimentos se efectúan en la matriz del fluido encerrada
por la membrana interna; el resto corre por cuenta de una serie
de enzimas unidas a las membranas de las crestas dentro del
compartimiento intermembranas (Karp, 2000).

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Las reacciones de la respiración aeróbica
o celular comienzan en el citoplasma de la célula pero
terminan dentro de la mitocondria. Dichas reacciones se llevan a
cabo en tres etapas, siendo las siguientes:

En la primera etapa, la glucolisis, se lleva a cabo en
el citoplasma, las enzimas desintegran parcialmente la glucosa
transformándola en piruvato, en un ambiente netamente
anaeróbico (Karp, 2000; Audesirk et al.,
2003).

Al seguir las reacciones se encontrarán dos
coenzimas, el NAD+ (dinucleótido de adenina nicotinamida)
y FAD (dinucleótido de adenina flavina), ambas aceptan
hidrógeno y electrones procedentes de intermediarios que
se forman durante la descomposición de la glucosa. Los
átomos de hidrógeno no enlazados son iones
hidrógeno (H+), o sea protones desnudos. Cuando ambas
coenzimas llevan electrones e hidrógeno, están en
su forma reducida y pueden abreviarse NADH y FADH2 (Curtis et
al
, 2008).

Los azúcares de 6 carbonos pueden desintegrarse
en la glucólisis. Los carbonos constituyen su estructura
fundamental. Durante la glucólisis esta molécula se
descompone parcialmente en dos de piruvato, un compuesto de tres
carbonos. Los pasos iniciales requieren energía. Una
molécula de ATP le dona a la glucosa un grupo fosfato para
que se reorganice. El intermediario que se origina,
fructosa-6-fosfato, acepta un grupo fosfato de otra
molécula de ATP. Así pues, las células
destinan dos ATP para dar inicio a la
glucólisis.

En el primer paso generador de energía de la
glucólisis, los dos PGAL (fosfogliceraldehido) son
convertidos en intermediarios que ceden un grupo fosfato a ADP,
de modo que se forman dos subsecuentes. Por tanto, se forman
cuatro ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Mientras
tanto los dos PGAL ceden electrones e hidrógenos a dos
NAD+ que se convierten en NADH.

Se forman cuatro ATP, pero no se olvide que dos se
destinaron para iniciar las reacciones. El rendimiento neto de la
glucólisis es de 2 ATP y 2 NADH (Curtis et al.,
2001; Karp, 2000).

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En la segunda etapa de la respiración celular
ocurre en la matriz mitocondrial, en un ambiente aeróbico,
las dos moléculas de piruvato son desintegradas por
enzimas y transformándolo en dióxido de carbono.
NAD+ y FAD captan los electrones y el hidrógeno
extraído de los intermediarios de ambas etapas.

La segunda etapa de la respiración celular,
inicia después que las moléculas de piruvato
producidas por la glucólisis salen del citoplasma,
atraviesan las membranas internas y externas de la mitocondria y
luego entran en el compartimiento interno de la mitocondria, para
realizarse el ciclo de Krebs (Audesirk et al.,
2003).

Las reacciones se efectúan dos veces, una por
cada molécula de piruvato. Los átomos restantes de
carbono se liberan en forma de CO2 . Sólo se forman 2 ATP
durante las dos vueltas, lo cual aumenta poco el pequeño
rendimiento neto de la glucólisis.Sin embargo, se reducen
seis moléculas NAD+ y dos más FAD, además de
las dos NAD+ que fueron reducidas al formarse acetil-CoA. Con su
carga de electrones e hidrógeno estas coenzimas – 8
NADH y 2 FADH2 – resultan muy prometedoras para la célula.
Todos los electrones están provistos de energía
potencial, que las coenzimas pueden llevar a los sitios finales
de reacción (Curtis et al., 2001; Ondarza,
2006).

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Acetil CoA + 2H20 + FAD + 3NAD+ + Pi
(

2CO2 + FADH2 + 3NADH + 3H+ + GTP +
HS-CoA

Hipótesis
Quimiosmótica

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Según la hipótesis quimiosmótica
sostenida por el investigador Peter Mitchell en 1961, es la que
goza de mayor prestigio, y puede además explicar la
síntesis de ATP tanto en la mitocondria como en el
cloroplasto.

La teoría quimiosmótica, explica
cómo la energía derivada del transporte de
electrones por la cadena respiratoria se utiliza para producir
ATP a partir de ADP y Pi. En el acoplamiento
quimiosmótico tiene lugar dos acontecimientos diferentes:
1) se establece un gradiente de protones a través de la
membrana mitocondrial interna y 2) la energía potencial
almacenada en el gradiente se libera y es capturada en la
formación de ATP a partir de ADP y fosfato.

Los componentes de la cadena transportadora están
dispuestos en una serie ordenada temporalmente, sobre la membrana
interna de la mitocondria. La mayoría de los
transportadores de electrones están en íntima
asociación con proteínas integrales de membrana. En
tres puntos de transportación de esta cadena, parte de la
energía liberada a medida que se transportan los
electrones se utiliza para bombardear protones desde la matriz
mitocondrial hacia el espacio intermembranoso (Curtis et
al
., 2008).

La bomba de protones: el transporte de electrones
produce una diferencia en la concentración de protones
(H+), ya que la membrana interna es impermeable a ellos. Este
proceso crea simultáneamente a través de la
membrana interna mitocondrial un gradiente eléctrico (con
más cargas positivas en el exterior de la membrana que en
la matriz mitocondrial) y un gradiente de pH (el exterior de la
membrana está a un pH más ácido que el
interior). La energía generada por este gradiente es
suficiente para realizar la síntesis de ATP
(Vázquez, 2003; Mitchell, 1961; Mitchell,
1976).

De esta manera se genera un gradiente
electroquímico
de protones que ejerce lo que se
conoce como fuerza protonmotriz, ya que cuando los protones
atraviesan de nuevo la membrana interna (mitacondrial o
tilacoidal) a favor del gradiente, lo hacen a través del
sistema ATP-sintetasa, que se encuentra en dichas
membranas, donde la energía protonmotriz se transforma en
energía de enlace en moléculas de ATP.

La última etapa es la fosforilación por
transferencia de electrones (oxidativa), en la cual se da la
mayor producción de energía. Una vez que las
coenzimas reducidas ceden electrones e hidrógenos a las
cadenas: mecanismo de fosforilación de transferencia de
electrones. El funcionamiento de estas cadenas establece la
concentración de H+ y los gradientes eléctricos.
Los gradientes impulsan la formación de ATP en las
proteínas de transporte cercanas a la membrana (Karp,
2000).

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El flujo de electrones por la cadena origina gradientes
H+ que se utilizan para elaborar ATP. La etapa finaliza cuando el
oxígeno libre acepta los electrones "gastados" en la
última parte de la cadena de transferencia. El
oxígeno capta H+ al mismo tiempo y al hacerlo genera agua,
un producto secundario de las reacciones

Rendimiento
energético global

La cantidad de energía
química originalmente presente en la molécula de
glucosa, se recupera en forma de ATP. El máximo
rendimiento energético teórico posible:

  • La glucólisis produce dos moléculas de
    ATP directamente y dos moléculas de ADPH. Estas
    moléculas de NADH, producidas en el citoplasma, no
    pueden cruzar la membrana interna de la mitocondria, pero
    otras moléculas transfieren los electrones contenidos
    en el NADH al interior de la mitocondria. Cada
    molécula de NADH formada en la glucólisis da
    por resultado la síntesis de tres moléculas de
    ATP.

  • La conversión del ácido
    pirúvico en Acetil-CoA , que ocurre dentro de la
    mitocondria, produce dos moléculas de NADH por cada
    molécula de glucosa y rinde de esta forma seis
    moléculas de ATP.

  • El ciclo de Krebs que también se desarrolla
    dentro de la mitocondria, produce dos moléculas de
    ATP, seis de NADH y dos de FADH2, o un total de 24
    moléculas de ATP por cada molécula de
    glucosa.

La producción total a partir de una
molécula de glucosa es como máximo de 38
moléculas de ATP. Durante la glucólisis y la
respiración, se liberan las 686 kilocalorias por mol de
glucosa. En los enlaces fosfato del ATP se retienen unas 266
kilocalorias (7 kilocalorias por mol de ATP x 38moles de ATP),
que da por resultado una eficiencia de casi el 40%.

Los electrones continúan fluyendo a lo largo de
la cadena de transporte de electrones, suministrando
energía para crear y mantener el gradiente de protones,
solo si se dispone de ADP para convertirse en ATP. Así, la
fosforilación oxidativa está regulada por el
suministro y la demanda. Cuando los requerimientos
energéticos de la célula disminuyen, se usan menos
moléculas de ATP, hay menos moléculas de ADP
disponibles y el flujo electrónico disminuye (Curtis
et al., 2008).

Resumen

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CONCLUSIONES

Un trabajo se lleva a cabo dondequiera que algo se
mueva. En los animales las células musculares se contraen
para hacer que el cuerpo se mueva, se estire y practique
ejercicio y la sangre circule. Las funciones que realizan los
seres vivos utilizando energía son todas, e incluso
mientras se duerme, el corazón continúa bombeando
sangre y el cerebro está activo porque procesa los eventos
que ocurrieron durante el día.

En todas las células, los procesos de la vida
mueven y reacomodan los átomos, los iones y las
moléculas, todo este trabajo biológico exige
energía, así que los organismos y sus
células necesitan un suministro permanente de
energía para funcionar y mantenerse en homeostasis. Toda
esta energía se obtiene de la comida que se ingiere. Sin
un suministro constante y abundante de ATP, una célula
muere.

La célula no puede utilizar
simultáneamente toda la energía que se encuentra
disponible en las moléculas de alimento, los procesos que
ocurren dentro de la célula necesitan cantidades
pequeñas de energía. Existiendo un mecanismo que
mantiene en equilibrio la oferta y la demanda energética
de la célula.

El almacenamiento de energía se lleva a cabo en
moléculas de Adenosín trifosfato (ATP), la cual es
la moneda de energía de la célula, porque de
precisamente de estas moléculas de donde la célula
toma la energía que necesita para su trabajo.

Para la obtención de energía en organismos
eucariontes se tiene que llevar a cabo tres fases:
glucólisis, ciclo de Krebs, fosforilación
oxidativa.

LITERATURA
CITADA

Audesirk, T., Audesirk, G., y Byers, B. E. 2003.
Biología. Pearson Educación.
México.

Curtis, H., y Barnes, N. S. 2001.
Biología. Panamericana. Madrid.

Curtis, H., Barnes, N. S., Schnek, A., y Massarini, A.
2008. Biología. Panamericana. Santiago de
Chile.

Karp, G. 2000. Biología celular y
molecular.
McGraw- Hill Interamericana.
México.

Mitchell, P. 1961. Coupling of phosphorylation to
electron and hydrogen transfer by a chemiosmotic type of
mechanism. Nature. 191: 423-427.

Mitchell, Peter. 1976. Vectorial chemistry and the
molecular mechanism of chemiosmotic coupling. Biochemical Society
Transactions. 4: 399-430.

Ondarza, R. N. 2006. Biología Moderna.
Trillas. México.

Starr, C., y Taggart, R. 2008. Biología.
CENGAGE. México.

Vázquez-Contreras, E. 2003. "Teoría
Quimiosmótica" en: Bioquímica y Biología
Molecular en Línea. Instituto de Química. UNAM.
http://bq.unam.mx/~evazquez .

HYPERLINK
"http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/concurso1998/accesit6/hipotesi.html"
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/concurso1998/accesit6/hipotesi.html
Consultado en línea: 6.05.2014.

 

 

Autor:

Msp. Edith García Cedeño

Maestra en Salud Pública.

Profesora de Biología I y II, Ciencias de la
Salud I y II, Metodología de la Investigación.
Colegio de Bachilleres "Plantel Quiroga" del Estado de
Michoacán. México.

Profesora de Asignatura "B" de la Facultad de Medicina
Veterinaria y Zootecnia. Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán.
México.

Mc. Carlos Bedolla Cedeño

Profesor e Investigador Titular "A" de Tiempo Completo
de la Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia. Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia,
Michoacán. México.

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